CN109445114A - 双波段扩束镜光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及双波段扩束镜，包括沿入射光传输方向设置的第一透镜，第二透镜和第三透镜，在第一透镜、第二透镜、第三透镜中至少一面上设置有衍射光学面，第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均为熔融石英，引入衍射光学面，来对色差矫正，从而满足使用同一种材料的扩束镜可以在紫外、绿光两个波段下工作，使其在两个波段范围的扩束倍率为5倍，8倍，10倍，20倍。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，尤其涉及双波段扩束镜光学系统。
背景技术
扩束镜一直便是激光加工应用中必不可少的光学组件，其主要作用是将激光光束放大。扩束镜的结构基本上采用望远系统，主要分为伽利略望远系统和卡塞格林系统。对于单波长的扩束镜，在设计和制造方面的技术都已经成熟。
常用激光输出波段主要有红外、绿光和紫外波段，为了提高扩束镜的使用效率，使其满足二种或者三种以上的波段共同使用，因此需要扩束镜对色差进行校正。
一般校正色差，会利用不同材料对光波的色散不同这一特性，选取不同材料的玻璃进行系统色差的消除。例如，对于绿光和红外光来讲，有多种冕牌玻璃和火石玻璃的材料，可以用于这两个波段的使用。但是对于紫外光来讲，目前可以选择的材料很少，由于紫外光波段材料的局限性，如何在使用单一材料的情况下，还可以使扩束镜工作在紫外光和绿光两个波段，是本发明亟待解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双波段扩束镜光学系统。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种双波段扩束镜光学系统，包括沿入射光传输方向设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；
所述第一透镜为负透镜，第一透镜焦距f的范围为-5≤f≤-25mm；
所述第二透镜和第三透镜为正透镜，每个正透镜焦距f的范围为-10≤f≤-500mm；
在所述第一透镜、第二透镜、第三透镜中至少一面上设置有衍射光学面；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均相同。
进一步的，所述衍射光学面为二元面。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均为熔融石英。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为58mm<d2<60mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-13.2mm，第二球面的曲率半径是9.15mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-94.41mm，第四球面的曲率半径是-40.8mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面的曲率半径为-248.04mm，第六球面的曲率半径为-57.32mm。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为105mm<d2<109mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-15.58mm，第二球面的曲率半径是5.81mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-221.79mm，第四球面的曲率半径是-76.78mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面的曲率半径为-635.58mm，第六球面的曲率半径为-96.95mm。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为135mm<d2<140mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-22.16mm，第二球面的曲率半径是4.21mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-340.57mm，第四球面的曲率半径是-103.13mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面的曲率半径为-997.87mm，第六球面的曲率半径为-123.83mm。
进一步的，所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为284mm<d2<289mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为10mm<d4<13mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-22.16mm，第二球面的曲率半径是4.21mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-340.57mm，第四球面的曲率半径是-103.13mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为11<d5<13mm，第五球面的曲率半径为-997.87mm，第六球面的曲率半径为-123.83mm。
本发明提供的双波段扩束镜光学系统，包括沿入射光传输方向设置的第一透镜，第二透镜和第三透镜，第一透镜为负透镜，第二透镜和第三透镜为正透镜，在第一透镜、第二透镜、第三透镜中至少一面上设置有衍射光学面，第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均为熔融石英，工作在波段355nm和532nm，使其在两个波段范围的扩束倍率为5倍，8倍，10倍，20倍。
附图说明
下面结合附图详述本发明的具体结构
图1为本发明一实施例双波段扩束镜的示意图；
图2为本发明一实施例双波段扩束镜示意图；
图3为本发明一实施例双波段扩束镜扩束倍率为5倍时波形示意图；
图4为本发明一实施例双波段扩束镜扩束倍率为8倍时波形示意图；
图5为本发明一实施例双波段扩束镜扩束倍率为10倍时波形示意图；
图6为本发明一实施例双波段扩束镜扩束倍率为20倍时波形示意图；
1-第一透镜；2-第二透镜；3-第三透镜；11-第一球面；12-第二衍射光学面；21-第三球面；22-第四球面；31-第五球面；32-第六球面。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
本发明最关键的构思在于：本发明提出一种双波段扩束镜包括沿入射光传输方向设置的第一透镜，第一透镜焦距f的范围为-5≤f≤-25mm；第二透镜和第三透镜焦距f的范围为-10≤f≤-500mm，第二透镜和第三透镜，第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均相同，在第一透镜、第二透镜、第三透镜中至少一面上设置有衍射光学面，引入衍射光学面，来对色差矫正，从而满足使用同一种材料的扩束镜可以在紫外、绿光两个波段下工作。
本发明提供的一种双波段扩束镜光学系统，包括沿入射光传输方向设置的第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3；
所述第一透镜1为负透镜，第一透镜1焦距f的范围为-5≤f≤-25mm；
所述第二透镜2和第三透镜3为正透镜，每个正透镜焦距f的范围为-10≤f≤-500mm；
在所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3中至少一面上设置有衍射光学面12；
引入衍射光学面12，来对色差矫正，从而满足使用同一种材料的扩束镜可以在紫外、绿光两个波段下工作。所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的材料均相同。
从以上描述可知，本发明的有益效果在于：通过沿入射光传输方向设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜，第一透镜焦距f的范围为-5≤f≤-25mm；第二透镜和第三透镜焦距f的范围为-10≤f≤-500mm；在第一透镜、第二透镜、第三透镜中至少一面上设置有衍射光学面，第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均相同，引入衍射光学面，来对色差矫正，从而满足使用同一种材料的扩束镜可以在紫外、绿光两个波段下工作。
实施例1：
所述衍射光学面为二元面。
二元光学面，是在透镜表面设计微结构，例如平面浮雕结构，其尺寸与光的波长相对应。
实施例2：
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的材料均为熔融石英。通常工作在紫外波段的材料是熔融石英。工作在紫外波段的材料是熔融石英。
实施例3：
本实施例提供一种扩束镜的扩束倍率为5的具体方案，方案在前述基础上，进一步的：
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的其它面为球面；
所述第一透镜1与第二透镜2在光轴上的中心间距d2为58mm<d2<60mm，所述第二透镜2与第三透镜3在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜1的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面11的曲率半径是-13.2mm，第二衍射光学面12的曲率半径是9.15mm；
所述第二透镜2的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面21的曲率半径为-94.41mm，第四球面22的曲率半径是-40.8mm；
所述第三透镜3的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面31的曲率半径为-248.04mm，第六球面32的曲率半径为-57.32mm。
其中二元面相位表达式为其中M＝1，p^2系数为-3298；p^4系数为-689.4；p^6系数为10；
如图3所示，其中虚线为355nm的扩束镜光程差，实线为532nm的扩束镜光程差，图中最大刻线为0.1λ。波前像差代表光学系统的成像质量，波前像差的波峰波谷值是P-V值，RSM是波前像差的质心半径，355nm的扩束镜波前差P-V值为0.028λ，波前差RSM为0.0067λ。532nm的扩束镜波前差P-V值为0.08λ，波前差RSM为0.0226λ。扩束镜的扩束倍率为5。波前P-V值和RSM反应扩束镜的像质，其值越小，表示像质质量越好，通常波前P-V值0.25λ作为完善像质的参考值。
实施例4：
本实施例提供一种扩束镜的扩束倍率为8的具体方案，方案在前述基础上，进一步的：
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的其它面为球面；
所述第一透镜1与第二透镜2在光轴上的中心间距d2为105mm<d2<109mm，所述第二透镜2与第三透镜3在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜1的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面11的曲率半径是-15.58mm，第二衍射光学面12的曲率半径是5.81mm；
所述第二透镜2的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面21的曲率半径为-221.79mm，第四球面22的曲率半径是-76.78mm；
所述第三透镜3的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面31的曲率半径为-635.58mm，第六球面32的曲率半径为-96.95mm。
其中二元面相位表达式为其中M＝1，i＝1p^2系数为-6670.5；p^4系数为-2554.7；p^6系数为-642.2；
如图4所示，虚线为355nm的扩束镜光程差，实线为532nm的扩束镜光程差，图中最大刻线为0.1λ。波前像差代表光学系统的成像质量，波前像差的波峰波谷值是P-V值，RSM是波前像差的质心半径，355nm的扩束镜波前差P-V值为0.03λ，波前差RSM为0.0077λ。532nm的扩束镜波前差P-V值为0.16λ，波前差RSM为0.0445λ。扩束镜的扩束倍率为8。波前P-V值和RSM反应扩束镜的像质，其值越小，表示像质质量越好，通常波前P-V值0.25λ作为完善像质的参考值。
实施例5：
本实施例提供一种扩束镜的扩束倍率为10的具体方案，方案在前述基础上，进一步的：
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的其它面为球面；
所述第一透镜1与第二透镜2在光轴上的中心间距d2为135mm<d2<140mm，所述第二透镜2与第三透镜3在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜1的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面11的曲率半径是-22.16mm，第二衍射光学面12的曲率半径是4.21mm；
所述第二透镜2的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面21的曲率半径为-340.57mm，第四球面22的曲率半径是-103.13mm；
所述第三透镜3的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面31的曲率半径为-997.87mm，第六球面32的曲率半径为-123.83mm。
其中衍射光学面为二元面，二元面相位表达式为其中M＝1，p^2系数为-9700；p^4系数为-6420；p^6系数为-3715；
如图5所示，其中虚线为355nm的扩束镜光程差，实线为532nm的扩束镜光程差，图中最大刻线为0.25λ。波前像差代表光学系统的成像质量，波前像差的波峰波谷值是P-V值，RSM是波前像差的质心半径，355nm的扩束镜波前差P-V值为0.056λ，波前差RSM为0.0117λ。532nm的扩束镜波前差P-V值为0.2λ，波前差RSM为0.05λ。扩束镜的扩束倍率为10。波前P-V值和RSM反应扩束镜的像质，其值越小，表示像质质量越好，通常波前P-V值0.25λ作为完善像质的参考值。
实施例6：
本实施例提供一种扩束镜的扩束倍率为20的具体方案，方案在前述基础上，进一步的：
所述第一透镜1、第二透镜2、第三透镜3的其它面为球面；
所述第一透镜1与第二透镜2在光轴上的中心间距d2为284mm<d2<289mm，所述第二透镜2与第三透镜3在光轴上的中心间距d4为10mm<d4<13mm；
所述第一透镜1的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面11的曲率半径是-22.16mm，第二衍射光学面12的曲率半径是4.21mm；
所述第二透镜2的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面21的曲率半径为-340.57mm，第四球面22的曲率半径是-103.13mm；
所述第三透镜3的中心厚度d5为11<d5<13mm，第五球面31的曲率半径为-997.87mm，第六球面32的曲率半径为-123.83mm。
其中衍射光学面为二元面，相位表达式为其中M＝1，p^2系数为-15060；p^4系数为-60450；p^6系数为157900；
如图6所示，其中虚线为355nm的扩束镜光程差，实线为532nm的扩束镜光程差，其中实线图中最大刻线为5λ。波前像差代表光学系统的成像质量，波前像差的波峰波谷值是P-V值，RSM是波前像差的质心半径，355nm的扩束镜波前差P-V值为3λ，波前差RSM为0.66λ。532nm的扩束镜波前差P-V值为4.7λ，波前差RSM为1λ。扩束镜的扩束倍率为20。波前P-V值和RSM反应扩束镜的像质，其值越小，表示像质质量越好，通常波前P-V值0.25λ作为完善像质的参考值。但是在高倍率的情况下，为了简化系统结构，可适当放宽像质的要求，来满足其功能性的需求。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种双波段扩束镜光学系统，其特征在于：包括沿入射光传输方向设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜；
所述第一透镜为负透镜，第一透镜焦距f的范围为-5≤f≤-25mm；
所述第二透镜和第三透镜为正透镜，每个正透镜焦距f的范围为-10≤f≤-500mm；
在所述第一透镜、第二透镜、第三透镜中至少一面上设置有衍射光学面；
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均相同。
2.如权利要求1所述的双波段扩束镜光学系统，其特征在于：所述衍射光学面为二元面。
3.如权利要求2所述的双波段扩束镜光学系统，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的材料均为熔融石英。
4.如权利要求3所述的双波段扩束镜光学系统，其特征在于：
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；
所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为58mm<d2<60mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-13.2mm，第二衍射光学面的曲率半径是9.15mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-94.41mm，第四球面的曲率半径是-40.8mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面的曲率半径为-248.04mm，第六球面的曲率半径为-57.32mm。
5.如权利要求3所述的双波段扩束镜光学系统，其特征在于：
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；
所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为105mm<d2<109mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-15.58mm，第二衍射光学面的曲率半径是5.81mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-221.79mm，第四球面的曲率半径是-76.78mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面的曲率半径为-635.58mm，第六球面的曲率半径为-96.95mm。
6.如权利要求3所述的双波段扩束镜光学系统，其特征在于：
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；
所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为135mm<d2<140mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为2mm<d4<6mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-22.16mm，第二衍射光学面的曲率半径是4.21mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-340.57mm，第四球面的曲率半径是-103.13mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为3.5<d5<4.5mm，第五球面的曲率半径为-997.87mm，第六球面的曲率半径为-123.83mm。
7.如权利要求3所述的双波段扩束镜光学系统，其特征在于：
所述第一透镜、第二透镜、第三透镜的其它面为球面；
所述第一透镜与第二透镜在光轴上的中心间距d2为284mm<d2<289mm，所述第二透镜与第三透镜在光轴上的中心间距d4为10mm<d4<13mm；
所述第一透镜的中心厚度d1为1.5<d1<3.5mm，第一球面的曲率半径是-22.16mm，第二衍射光学面的曲率半径是4.21mm；
所述第二透镜的中心厚度d3为3.5<d3<5.5mm，所述第三球面的曲率半径为-340.57mm，第四球面的曲率半径是-103.13mm；
所述第三透镜的中心厚度d5为11<d5<13mm，第五球面的曲率半径为-997.87mm，第六球面的曲率半径为-123.83mm。
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